parte_1 - Elettronica.ingre

ELETTRONICA ANALOGICA INDUSTRIALE
PARTE 1
ELETTRONICA ANALOGICA
INDUSTRIALE
LAUREA MAGISTRALE
IN INGEGNERIA MECCATRONICA
(10 anno – 20 semestre)
Luca Larcher
[email protected]
Tel. 0522-522625
Ricevimento su appuntamento – Pad Tamburini
1
TESTI
Testi:
• “Electronics”, Allan R. Hambley, Second Edition,
2000, PRENTICE HALL
• Fundamentals of Microelectronics, B. Razavi, Wiley,
NJ, 2006.
• “2 Microelettronica – Circuiti integrati analogici”,
Richard C. Jagger, McGraw-Hill, Seconda
edizione2004.
• Dispense inerenti il capitolo 5 – prossimamente
pubblicate sul sito: www.elettronica.ingre.unimore.it
p
g
• Lucidi delle lezioni: www.elettronica.ingre.unimore.it
I lucidi delle lezioni non costituiscono il testo
di riferimento su cui studiare, ma indicano
soltanto una traccia per lo studio!
2
1
ELETTRONICA ANALOGICA INDUSTRIALE
PARTE 1
Modalità di esame
• Prova orale su tutti gli argomenti del corso
oppure
• Prova orale in cui si può discutere un progetto
concordato con il docente.
3
PROGRAMMA DEL CORSO
1. Stadi amplificatori a singolo transistor.
2. Specchi di corrente e coppia differenziale
3. Comportamento in frequenza.
4. Retroazione.
5. Stadi di uscita e amplificatori di potenza
(comportamento a largo segnale)
segnale).
6. Esercitazioni in laboratorio di progettazione di
circuiti (amplificatore audio) utilizzando il
software di simulazione pSpice.
4
2
ELETTRONICA ANALOGICA INDUSTRIALE
PARTE 1
PARTE 1
STADI AMPLIFICATORI A
GO O TRANSISTOR
O
SINGOLO
1.
2.
3.
4
4.
5.
6.
Transistor bipolare (BJT)
Transistore MOSFET.
Amplificatore a emettitore comune.
Amplificatore a source comune.
comune
Emitter follower (inseguitore di emettitore).
Source follower.
5
TRANSISTOR BIPOLARE
Può essere di tipo npn o pnp (in quest’ultimo caso i segni delle
tensioni sono negativi e i riferimenti delle correnti invertiti).
Caratteristiche tecnologiche fondamentali:
1) emettitore molto più drogato della base (NE/NB 〉〉 1),
1)
2) ridotto spessore della base (WB/LB 〈〈 1).
⎡
⎛ vBE ⎞ ⎤
iE ≈ IES ⎢exp⎜
⎟ − 1⎥
⎝ VT ⎠ ⎦
⎣
6
3
ELETTRONICA ANALOGICA INDUSTRIALE
PARTE 1
TRANSISTOR BIPOLARE /2
Caratteristiche ingresso/uscita a emettitore comune:
• caratteristica di ingresso iB-vBE
• caratteristica di uscita iC-vCE per iB fissate
αF e βF sono i guadagni statici di corrente a base ed emettitore
comune
i
αF ≡
C
iE
βF ≡
iC
αF
=
iB 1 − αF
7
TRANSISTOR BIPOLARE /3
REGIONE
GIUNZIONE B-E GIUNZIONE B-C
ATTIVA DIRETTA
On
Off
SATURAZIONE
On
On
INTERDIZIONE
Off
Off
ATTIVA INVERSA
Off
On
8
4
ELETTRONICA ANALOGICA INDUSTRIALE
PARTE 1
TRANSISTOR BIPOLARE /4
Effetti del secondo ordine:
• effetto Early: le caratteristiche di ingresso iB-vBE si spostano verso
vBE crescenti all’aumentare di vCE e le caratteristiche di uscita iC-vCE
hanno pendenza positiva nella regione attiva diretta;
• breakdown: la corrente di collettore aumenta rapidamente quando
vCE si avvicina ad un valore critico (tensione di breakdown);
• corrente di perdita della giunzione BC.
9
REGIME DI PICCOLO SEGNALE
I segnali di corrente (ib, ic, ie) o tensione (vbe, vce, vcb) sono definiti
come la variazione della grandezza considerata rispetto al suo
valore di riposo.
Si è in regime di piccolo segnale se le ampiezze di tali variazioni sono
così piccole da poter essere linearizzate nell’intorno del punto di riposo.
iB(t)=IBQ+ ib(t)
iC((t)=I
) CQ+ ic((t))
iE(t)=IEQ+ ie(t)
vBE(t)=VBEQ+ vbe(t)
vCE(t)=VCEQ+ vce(t)
vCB(t)=VCBQ+ vcb(t)
10
5
ELETTRONICA ANALOGICA INDUSTRIALE
PARTE 1
TRANSISTOR BIPOLARE /5
I circuiti equivalenti ai piccoli segnali (trascurando le capacità parassite
importanti a frequenze più elevate) descrivono le relazioni esistenti in un
BJT fra correnti e tensioni di piccolo segnale: rπ è la resistenza
equivalente della giunzione B-E
B E e gm è la trasconduttanza
gm =
βF I CQ
=
rπ
VT
rπ =
VT βF VT
=
IBQ
I CQ
Relazioni tra correnti e tensioni
di piccolo segnale:
ic (t) = βFib (t)
ic (t) = gm v be (t)
ib (t) =
v be (t)
rπ
11
TRANSISTOR MOSFET
Ci possono essere transistor n-MOSFET o p-MOSFET.
Applicando una tensione VGS sufficientemente grande, si forma un
canale conduttivo tra source e drain, e se viene applicata vDS>0, tra
drain
d
a e source
sou ce può scorrere
sco e e u
una
a co
corrente
e te co
controllata
t o ata da
dalla
a te
tensione
s o e VGS.
Le caratteristiche elettriche del MOSFET dipendono da L (lunghezza di
gate) e W (larghezza di gate), oltre che da parametri tecnologici quali
lo spessore di ossido e il drogaggio di body.
12
6
ELETTRONICA ANALOGICA INDUSTRIALE
PARTE 1
TRANSISTOR MOS /2
Interdizione: VGS≤VT0 (VT0 è la tensione di soglia): anche applicando
una VDS>0, ID=0.
Triodo (MOS=resistenza variabile inversamente proporzionale a VGSVTO): VGS>VT0, VDS≤VGS-VT0:
μn/h: mobilità elettroni/lacune
⎡
V2 ⎤
ID = K ⎢2(VGS − VT 0 )VDS − DS ⎥
COX: capacità di gate per unità di area
2 ⎦
⎣
K : fattore di transconduttanza
K=
1W
μ n / hC OX
2 L
13
TRANSISTOR MOS /3
Saturazione: VGS>VT0 e VDS> VGS-VT0 (pinch-off del canale): la
corrente di drain non dipende da VDS per MOSFET a canale lungo.
Per MOSFET a canale corto (L<1mm), ID aumenta con VDS per effetto
della modulazione della lunghezza
g
di canale,, è modellizzato
moltiplicando le espressioni di ID per il fattore (1+λVDS).
ID = K (VGS − VT 0 )
2
ID = K (VGS − VT 0 ) (1 + λVDS )
2
14
7
ELETTRONICA ANALOGICA INDUSTRIALE
PARTE 1
TRANSISTOR MOS /4
Circuito equivalente a piccoli segnali: ig(t)=0.
I parametri del modello sono: transconduttanza gm e la resistenza rd
che tiene conto della modulazione della lunghezza
g
di canale (λ≠0)
(
)
gm =
∂id
= 2K ( VGSQ − VT 0 ) = 2 KIDQ = 2μnC ox W / L IDQ
∂v gs
⎛ ∂i ⎞
rd = ⎜⎜ d ⎟⎟
⎝ ∂v ds ⎠
−1
=
1
1
=
λK ( VGSQ − VT 0 )2 λIDQ
id (t) = gm v gs (t) +
v ds
rd
15
Amplificatore a EMETTITORE COMUNE /1
I condensatori sono dei circuiti aperti in DC.
C1 accoppia la sorgente del segnale di ingresso alla base del BJT,
mentre C2 accoppia il segnale di uscita al carico. CE, detta capacità di
by pass costituisce un percorso a più bassa impedenza per ie verso
by-pass,
massa.
C1, C2 e CE sono scelte
grandi in modo da
costituire una piccola
impedenza alla minima
frequenza utile di vin: per
il momento, nell’analisi AC
li considereremo come dei
corticircuiti.
16
8
ELETTRONICA ANALOGICA INDUSTRIALE
PARTE 1
Amplificatore a EMETTITORE COMUNE /2
•
1)
2)
3)
4)
Circuito equivalente ai piccoli segnali per analisi a centro banda
(altrimenti le impedenze capacitive vanno incluse nel modello):
ai condensatori sostituiamo dei corto-circuiti;
al BJT il suo circuito equivalente a piccoli segnali;
ai generatori di tensione (corrente) DC indipendenti dei
cortocircuiti (circuiti aperti);
RB= R1||R2 e RL’= RC||RL.
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Amplificatore a EMETTITORE COMUNE /3
La corrente attraverso RE1 è data da ie=(βF+1)ib.
La tensione di ingresso può scriversi come:
v in = rπib + R E1 (βF + 1)ib
La tensione di uscita è data dalla caduta di
tensione su RL’ ovvero:
v o = −R ′L βFib
Dividendo membro a membro si
ottiene il guadagno di tensione:
Av =
vo
βFR ′L
=−
v in
rπ + (βF + 1)R E1
Av è negativo: ciò significa che l’amplificatore ad emettitore comune è
un amplificatore di tensione invertente.
β FR C
Il guadagno di tensione a vuoto è dato da:
A vo = −
rπ + (βF + 1)R E1
18
9
ELETTRONICA ANALOGICA INDUSTRIALE
PARTE 1
Amplificatore a EMETTITORE COMUNE /4
Se RE1=0:
Av =
vo
β R′
=− F L
v in
rπ
Se (βF+1)RE1>>rπ e βF>>1,
>>1 si ottiene:
Av = −
R′
βFR ′L
βFR ′L
≈−
≈− L
rπ + (βF + 1)R E1
(βF + 1)R E1
R E1
In queste condizioni Av è circa indipendente dai parametri del BJT e
dipende unicamente dal rapporto della resistenza di carico RL’ e della
esistenza
i t
all’emettitore
ll’
ttit
RE1.
La resistenza RE1 in serie all’emettitore riduce il guadagno di tensione
rispetto al caso RE1=0, ma lo rende meno sensibile ai parametri del
transistor (e come vedremo aumenta l’impedenza di ingresso).
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Amplificatore a EMETTITORE COMUNE /5
L’impedenza di ingresso vista dalla base del BJT è ottenibile
dall’eqz. di Kirchoff della maglia di ingresso:
Z it =
v in
= rπ + (βF + 1)R E1
ib
L’impedenza di ingresso vista dal generatore del segnale di
ingresso è il parallelo di RB e Zit:
v
1
Z in = in =
1 + 1
iin
RB
Z it
C le
Con
l approssimazioni
i
i i fatte,
f tt l’impedenza
l’i
d
di ingresso
i
è una pura
resistenza e pertanto può essere ottenuta come rapporto della vin e
della iin istantanee. Se nel circuito equivalente fossero state presenti
capacità e/o induttanze, sarebbe stato necessario dividere i fasori
associati e l’impendenza ottenuta avrebbe avuto una parte reattiva
(come vedremo più avanti).
20
10
ELETTRONICA ANALOGICA INDUSTRIALE
PARTE 1
Amplificatore a EMETTITORE COMUNE /6
Il guadagno di corrente è in generale ottenibile come:
Ai =
io Z in v 0
Z
=
= A v in
iin v in R L
RL
Il guadagno di corrente di corto circuito è dato da:
A isc = −βF
Nell’ipotesi
p
di impedenze
p
di ingresso
g
e di carico puramente
p
resistive,, il
guadagno di potenza è dato dal prodotto:
G = A v A i = A 2V
Z in
RL
21
Amplificatore a EMETTITORE COMUNE /7
Per calcolare l’impedenza di uscita, il generatore di segnale vs deve
essere cortocircuitato. In queste condizioni ib=0 e pertanto anche βFib
=0, da cui:
Zo =
vo
= RC
− io
22
11
ELETTRONICA ANALOGICA INDUSTRIALE
PARTE 1
Amplificatore a SOURCE COMUNE /1
C1 e C2 sono condensatori di accoppiamento, CS è una capacità di
by-pass: tutte hanno di impedenza trascurabile alla frequenza di
segnale, a centro banda.
R1, R2, RD, RS sono resistenze di polarizzazione.
23
Amplificatore a SOURCE COMUNE /2
•
1)
2)
3)
4)
Circuito equivalente ai piccoli segnali per analisi a centro banda
(altrimenti le impedenze capacitive vanno incluse nel modello):
ai condensatori sostituiamo dei corto-circuiti;
all MOSFET il suo circuito
i i equivalente
i l
a piccoli
i li segnali;
li
ai generatori di tensione (corrente) DC indipendenti dei
cortocircuiti (circuiti aperti);
RG= R1||R2 ed RL’= RC||RL||rd
24
12
ELETTRONICA ANALOGICA INDUSTRIALE
PARTE 1
Amplificatore a SOURCE COMUNE /3
Dato che vin = vgs e la tensione di uscita vale v in = v gs
v o = −gm v gsR ′L
Av =
vo
= −gmR ′L
v in
L’impedenza di ingresso Zin e di uscita Zo dipendono rispettivamente
dalle resistenze di polarizzazione e dalla resistenza di carico
Z in = R G = R 1 || R 2
Zo = RD
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INSEGUITORE DI EMETTITORE
• Il segnale di uscita è prelevato dall’emettitore e trasferito in uscita
tramite C2.
• La resistenza di collettore non serve in questo circuito.
26
13
ELETTRONICA ANALOGICA INDUSTRIALE
PARTE 1
INSEGUITORE DI EMETTITORE /2
Circuito equivalente a piccolo segnale a centro banda:
• dato che il collettore è connesso a massa, questo circuito è chiamato
anche amplificatore a collettore comune;
• RB= R1||R2 e RL’=
’ RC||RL;
• guadagno di tensione:
v o = (1 + βF )R ′L ib
v in = rπib + (1 + βF )R ′L ib
27
INSEGUITORE DI EMETTITORE /3
• AV→1: per essere utilizzato come buffer, questo circuito deve avere un
grande guadagno di corrente
AV =
(1 + β )R ′
+ (1 + β )R ′
F
rπ
L
F
>0
L
• AV>0: è un amplificatore non-invertente; la tensione di uscita cambia
della stessa quantità di cui cambia quella di ingresso, per cui si dice che
insegue l’ingresso
• Alta impedenza di ingresso (rispetto ad altre configurazioni circuitali
che utilizzano i BJT): transistor MOSFET e retroazione aiutano ad
aumentare ll’impedenza
impedenza di ingresso
Z in =
v in
=
1
iin
1
RB
+ 1
Z it
Z it =
v in
= rπ + (βF + 1)R ′L
ib
28
14
ELETTRONICA ANALOGICA INDUSTRIALE
PARTE 1
INSEGUITORE DI EMETTITORE /4
• Guadagno di corrente generalmente elevato
Ai =
io
R B [rπ + (1 + βF )R ′L ]
Z
Z
= A v in ≈ in ≈
R L R L R L [R B + rπ + (1 + βF )R ′L ]
iin
• Bassa impedenza di uscita
Z0 =
vx
=
1
ix
1
RE
+ 1
Z ot =
Z ot
rπ + R ′S
1 + βF
R ′S =
R BR S
RB + RS
29
AMPLIFICATORE A BASE COMUNE
• L’amplificatore a base comune è non-invertente, ha potenzialmente un
elevato guadagno di tensione, mentre il guadagno di corrente è inferiore
all’unità.
• R1 e R2 sono resistenze di polarizzazione
polarizzazione.
30
15
ELETTRONICA ANALOGICA INDUSTRIALE
PARTE 1
AMPLIFICATORE A BASE COMUNE /2
• Guadagno di tensione:
v o = −βFR ′L ib
v in = −rπib
AV =
βFR ′L
rπ
R ′L =
R LR C
RL + R C
Calcolare:
• Guadagno di corrente
• Impedenza di ingresso
• Impedenza di uscita
E
31
ESERCIZIO SU AMPLIFICATORI
Dato l’amplificatore in figura, disegnare il circuito equivalente a
piccolo segnale e calcolare guadagno di tensione, impedenze di
ingresso e di uscita.
32
16
ELETTRONICA ANALOGICA INDUSTRIALE
PARTE 1
ESERCIZIO SU AMPLIFICATORI /2
Circuito equivalente a piccolo segnale e guadagno di tensione:
Av =
v 0 R ′L (rπ − β R B )
=
v in
rπ (R ′L + R B )
33
SOURCE FOLLOWER
• Il segnale di uscita è prelevato dal source del MOSFET e trasferito in
uscita tramite C2.
• La resistenza di drain non serve in questo circuito.
34
17
ELETTRONICA ANALOGICA INDUSTRIALE
PARTE 1
SOURCE FOLLOWER /2
Circuito equivalente a piccolo segnale a centro banda (ciò significa che
ZC1 e ZC2 sono corto-circuiti):
• RG= R1||R2 e RL’= RS||RL ||rd;
v o = gm v gsR
R′′L
v in = v gs + v o = v gs + gm v gsR ′L
Av =
vo
gmR ′L
=
→1
v in 1 + gmR ′L
R in = R G
35
SOURCE FOLLOWER /3
Impedenza di uscita:
Ro =
vx
=
ix
1
1
1
+
gm +
R S rd
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18
ELETTRONICA ANALOGICA INDUSTRIALE
PARTE 1
AMPLIFICATORE A GATE COMUNE
Calcolare il guadagno di tensione e le impedenze di ingresso e di
uscita dell’amplificatore a gate comune mostrato in figura:
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AMPLIFICATORE A GATE COMUNE /2
Modello equivalente a piccolo segnale:
R ′L = R L R D
A v = gmR ′L
R in =
1
gm +
1
RS
R0 = RD
38
19

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